Bildandet av kalciumkarbonat (CaCO3) i vatten har konsekvenser för allt från mat och energiproduktion till människors hälsa och tillgängligheten av drickbart vatten. Men i samband med dagens miljö, att helt enkelt studera hur kalciumkarbonat bildas i rent vatten är inte till hjälp.

Forskare vid Washington University i St. Louis's McKelvey School of Engineering har banat banbrytande metoder för att studera bildandet av kalciumkarbonat i saltvatten. Deras resultat, nyligen publicerad i Journal of Physical Chemistry C , föreslå att, utan att beakta kinetiska faktorer, vi kan ha överskattat hur snabbt kalciumkarbonat bildas i saltlösningsmiljöer.

"Nu mer än någonsin, det är viktigt att förstå hur mineraler bildas under mycket saltlösning, "sa Young-Shin Jun, professor vid Institutionen för energi, Miljö- och kemiteknik. När stadsområdena sprids, mer och mer färskt vatten förloras för haven genom avrinning. En ökad produktion av saltvatten ses också i industri- och energihanteringsprocesser, såsom avsaltning och hydraulisk sprickbildning.

Juns grupp började med en filosofisk fråga:Vid vilken tidpunkt i kalcium- och karbonatjonernas sammansättning "bildas" kalciumkarbonat egentligen?

"Människor säger ofta nonchalant" bildning "när de hänvisar till" tillväxt "av fasta ämnen, men bildandet börjar faktiskt tidigare, i kärnbildningsstadiet, "Jun sa." Kärnkraftsbildningen börjar i det ögonblick när alla föregångare har fallit på plats, nå en kritisk massa som skapar en kärna som är tillräckligt stor och tillräckligt stabil för att fortsätta växa som kalciumkarbonat. "

Nucleation är, inte överraskande, svårt att observera eftersom det händer i nanoskala. Därav, denna process antas ofta helt enkelt ha ägt rum. Istället för att uppmärksamma kärnbildning som ett separat fenomen, forskare har traditionellt lagt större ansträngningar för att förstå tillväxt.

Arbetar i norra Illinois vid Advanced Photon Source i Argonne National Laboratory med en mycket kraftfull synkrotronbaserad röntgenspridningsmetod känd som betesincidens liten vinkel röntgenspridning (GISAXS), Juns laboratorium har skapat unika miljöreaktionsceller och observerat kärnhändelser i realtid i vattenhaltiga miljöer. De kan se ögonblicket av kärnbildning, vilket gör det möjligt för dem att nära jämföra hastigheter av kärnbildning i vatten med olika salthalter.

Koncentrationen av salt i vatten varierar mycket; havsvatten har cirka 35 gram salt per liter, medan vatten som används vid hydraulisk sprickbildning (eller frackning) innehåller ännu högre halter av salter. Dock, utan att tänka på salthalt, de flesta studier har undersökt hur mineralet interagerar med det substrat som det växer på - till exempel vad är ett vattenrör eller ett membran av, och hur påverkar det materialet bildandet av kalciumskalor?

Men det är inte de enda viktiga interaktionerna.

"Vi måste lägga till salthalt i denna matris, "Sade Jun." Hur påverkar saltvattenkemi kärnbildning? Det händer inte i ett vakuum. "

Ett viktigt samband för att bestämma sannolikheten för kärnbildning är balansen mellan termodynamiken och kinetiken i det specifika systemet. Termodynamiskt, en specifik mängd energi krävs för att driva kärnbildning; om den energin (känd som gränssnittsenergin) är tillräckligt låg, då kan kärnbildning ske spontant.

Kinetik hänvisar till rörelserna i de byggstenar i sub- och nanometerstorlek (föregångare) som kanske når den kritiska massan (kallas den kritiska kärnstorleken) och fortsätter att växa som kalciumkarbonat. Som med själva kärnbildningen, att observera kinetiken för dessa partiklar är svårt. Historiskt sett den kinetiska faktorn ansågs vara mindre viktig än den termodynamiska parametern, och antogs vara en konstant. Men är detta sant även för mycket saltvatten?

"Folk har trott att kinetik inte är viktigt eftersom det borde vara detsamma, oavsett vad, "Sa Jun. Men med GISAXS, Jun och hennes tidigare doktorand Qingyun Li, nu vid Stanford University, kunde kvantitativt beskriva sambandet mellan den kinetiska faktorn (J0) och den termodynamiska parametern (gränssnittsenergi, α) av kalciumkarbonatkärnbildning, med kvarts som substrat. Kritiskt, de kunde testa det i vatten med varierande saltinnehåll.

Det visar sig att i vatten med hög salthalt, gränssnittsenergi är lägre än i rent vatten, vilket innebär att kärnbildning kan hända lättare. Dock, den kinetiska faktorn - relaterad till hur snabbt byggstenarna levereras - är långsam.

"Om vi ​​bara tar hänsyn till termodynamik när vi förutsäger systemet, vi överskattar hastigheten på kärnbildning. Effekten av kinetiska faktorer bör inkluderas, "Sa Jun.

Denna inverkan är viktig av många skäl än att bara ha en bättre grundläggande förståelse för mineralbildning.

"Oöverträffad socioekonomisk utveckling har påskyndat våra sötvattenbehov, "Sa Jun." Också, en stor volym av super-saltvatten genereras från vatten- och energiåtervinningsställen, såsom avsaltningsanläggningar och konventionell/okonventionell olje- och gasåtervinning med hydraulisk sprickbildning.

"Således, att designa hållbara vatten- och energiproduktionssystem, vi behöver snabbt en god förståelse för hur starkt saltvatten kan påverka kalciumkarbonatkärnbildning, som kan minska deras processeffektivitet, "Sa Jun.

"Det är ett spännande fynd. Genom att ändra kinetiken och termodynamiken, vi kan designa en yta för att förhindra kärnbildning. Genom att veta när och var kärnbildningen sker, vi kan förhindra eller minska det, förlängning av rörledningar eller vattenreningsmembran.

"Omvänt, vi kan också öka kärnbildningen där vi behöver det, såsom vid geologisk koldioxidlagring, "sa hon." Denna grundläggande förståelse ger oss kraft och kontroll. "